Las estrellas que explotan como supernovas son las principales fuentes de elementos químicos pesados en el Universo. En particular, los núcleos atómicos radiactivos se sintetizan en las regiones más cálidas e internas durante la explosión y, por lo tanto, pueden servir como sondas de los procesos físicos no observables que inician la explosiónUtilizando elaboradas simulaciones por computadora, un equipo de investigadores de RIKEN en Japón y el Instituto Max Planck de Astrofísica MPA pudieron explicar las distribuciones espaciales recientemente medidas de titanio radiactivo y níquel en Cassiopeia A, un remanente de gas de aproximadamente 340 años de antigüedad.una supernova cercana. Los modelos de computadora brindan un fuerte apoyo a la idea teórica de que tales eventos de muerte estelar pueden ser iniciados y alimentados por neutrinos que escapan de la estrella de neutrones que queda en el origen de la explosión. El trabajo fue publicado en El diario astrofísico .
Las estrellas masivas terminan sus vidas en explosiones gigantescas, llamadas supernovas. Dentro de millones de años de evolución estable, estas estrellas han construido un núcleo central compuesto principalmente de hierro. Cuando el núcleo alcanza aproximadamente 1,5 veces la masa del Sol,se derrumba bajo la influencia de su propia gravedad y forma una estrella de neutrones. En este evento catastrófico se liberan enormes cantidades de energía, principalmente por la emisión de neutrinos. Estas partículas elementales casi sin masa se producen abundantemente en el interior del neutrón recién nacidoestrella, donde la densidad es mayor que en los núcleos atómicos y la temperatura puede alcanzar los 500 mil millones de grados Kelvin.
Los procesos físicos que desencadenan e impulsan la explosión han sido un enigma sin resolver durante más de 50 años. Uno de los mecanismos teóricos propuestos invoca a los neutrinos, porque se llevan más de cien veces la energía necesaria para una supernova típica.Desde el interior caliente de la estrella de neutrones, una pequeña fracción de los neutrinos se absorbe en el gas circundante. Este calentamiento provoca movimientos violentos del gas, similares a los de una olla de agua hirviendo en una estufa.se vuelve lo suficientemente potente, la explosión de supernova se establece como si la tapa de la olla se hubiera volado. Las capas externas de la estrella moribunda son expulsadas al espacio circunestelar, y con ellas todos los elementos químicos que la estrella ha ensamblado por la combustión nuclear durante su combustión.Pero también se crean nuevos elementos en la eyección caliente de la explosión, entre ellos especies radiactivas como 44Ti titanio con 22 protones y 22 neutrones en sus núcleos atómicos y 56Ni 28/28 neutrones / protones, que se descomponen en calcio y hierro estables, respectivamente.La energía radiactiva así liberada hace que una supernova brille durante años.
Debido a la ebullición salvaje del gas calentado con neutrinos, la onda expansiva comienza de forma no esférica e imprime una asimetría a gran escala en la materia estelar expulsada y la supernova en su conjunto, de acuerdo con la observación de aglomeraciones y asimetrías en muchossupernovas y sus restos gaseosos. La asimetría inicial de la explosión tiene dos consecuencias inmediatas. Por un lado, la estrella de neutrones recibe un impulso de retroceso opuesto a la dirección de la explosión más fuerte, donde el gas de supernova es expulsado con más violencia. Este efectoes similar a la patada que recibe un bote de remos cuando un pasajero salta. Por otro lado, la producción de elementos pesados de silicio a hierro, en particular también de 44Ti y 56Ni, es más eficiente en direcciones donde la explosión es más fuerte y dondemás materia se calienta a altas temperaturas. "Hemos predicho ambos efectos hace algunos años por nuestras simulaciones tridimensionales 3D de explosiones de supernovas impulsadas por neutrinos", dice Annop Wongwathanarat, investigador del Laboratorio Astrofísico Big Bang de RIKEN y autor principal de la publicación correspondiente de 2013, momento en el que trabajó en MPA en colaboración con sus coautores H.-Thomas Janka y Ewald Müller."La asimetría de la eyección radiactiva es más pronunciada cuanto más grande es la patada de estrella de neutrones", agrega.Dado que los núcleos atómicos radiactivos se sintetizan en las regiones más internas de la supernova, en las proximidades de la estrella de neutrones, su distribución espacial refleja las asimetrías de explosión más directamente.
Nuevas observaciones de Cassiopeia A Cas A, el remanente gaseoso de una supernova cuya luz llegó a la Tierra alrededor del año 1680, podrían confirmar esta predicción teórica. Debido a su corta edad y proximidad relativa a una distancia de solo 11,000 luzaños, Cas A ofrece dos grandes ventajas para las mediciones: en primer lugar, la desintegración radiactiva de 44Ti sigue siendo una fuente de energía eficiente y, por lo tanto, la presencia de este núcleo atómico se puede mapear en 3D con alta precisión en todo el remanente mediante la detección de la alta-la radiación de rayos X de energía de las desintegraciones radiactivas. En segundo lugar, también se conoce la velocidad de la estrella de neutrones con su magnitud y su dirección en el plano del cielo.
Dado que la estrella de neutrones se propaga con una velocidad estimada de al menos 350 kilómetros por segundo, se espera que la asimetría en la distribución espacial de los elementos radiactivos sea muy pronunciada. Exactamente esto se ve en las observaciones. Mientras que el remanente compacto acelera haciaEn el hemisferio inferior, los grupos más grandes y brillantes con la mayoría de los 44 Ti se encuentran en la mitad superior del remanente de gas. La simulación por computadora, vista desde una dirección elegida adecuadamente, exhibe una sorprendente similitud con la imagen de observación. Pero no solo el espaciolas distribuciones de titanio y hierro se asemejan a las de Cas A. También las cantidades totales de estos elementos, sus velocidades de expansión y la velocidad de la estrella de neutrones están en sorprendente acuerdo con las de Cas A. "Esta capacidad de reproducir las propiedades básicas de las observacionesconfirma de manera impresionante que Cas A puede ser el remanente de una supernova impulsada por neutrinos con sus violentos movimientos de gas alrededor de la naciente estrella de neutrones ", concluye H.-ThoMas Janka.
Pero se necesita más trabajo para demostrar finalmente que las explosiones de estrellas masivas son impulsadas por la entrada de energía de los neutrinos. "Cas A es un objeto de tanto interés e importancia que también debemos comprender las distribuciones espaciales de otras especies químicas comosilicio, argón y neón ", comenta Ewald Müller, señalando la hermosa morfología de múltiples componentes de Cas A revelada por las imágenes en 3D. Un ejemplo tampoco es suficiente para hacer un caso completamente convincente. Por lo tanto, el equipo se ha unido a una colaboración más grande parapruebe las predicciones teóricas para las explosiones impulsadas por neutrinos mediante un análisis detallado de una muestra más grande de remanentes de supernova jóvenes. Paso a paso, los investigadores esperan reunir evidencia que pueda resolver el problema de larga data del mecanismo de supernova.
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Materiales proporcionado por RIKEN . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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